Thiết kế hệ thống xử lý nước thải nhà máy bột giấy - ĐHSP Kỹ thuật TP.HCM

Giới thiệu quy trình thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho nhà máy bột giấy. Phân tích các bước từ khảo sát đến vận hành, đáp ứng tiêu chuẩn môi trường hiện

• Tác giả: Lưu Võ Trọng Hiếu
• Người hướng dẫn: TS. Trần Thị Kim Anh
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Môi trường
• Đề tài: Thiết kế hệ thống xử lý nước thải nhà máy bột giấy Thái Bình Xanh, công suất 300,000 tấn sản phẩm/năm (Giai đoạn 1, công suất 10,000 m³/ngđ)
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về đồ án xử lý nước thải nhà máy bột giấy

Đồ án tốt nghiệp thiết kế hệ thống xử lý nước thải nhà máy bột giấy Thái Bình Xanh là công trình nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực công nghệ kỹ thuật môi trường. Nhà máy có công suất 300.000 tấn sản phẩm mỗi năm. Giai đoạn 1 tập trung xử lý lưu lượng 10.000 mét khối mỗi ngày. Nước thải từ sản xuất bột giấy chứa hàm lượng chất hữu cơ cao. Các chỉ tiêu ô nhiễm chính bao gồm COD, BOD, TSS và độ màu. Nồng độ COD đầu vào có thể đạt 1.596 mg/l. BOD dao động từ 1.344 đến 3.648 mg/l. Tổng chất lơ lửng TSS ở mức 768-1.152 mg/l. Độ màu Pt-CO biến động lớn từ 432 đến 2.880. Mục tiêu thiết kế là đạt tiêu chuẩn xả thải QCVN 12-MT:2015 cột B. Hệ thống phải đảm bảo hiệu suất xử lý cao và chi phí vận hành hợp lý.

1.1. Giới thiệu nhà máy bột giấy Thái Bình Xanh

Nhà máy bột giấy Thái Bình Xanh là cơ sở sản xuất công nghiệp quy mô lớn tại Việt Nam. Công suất thiết kế đạt 300.000 tấn sản phẩm mỗi năm. Giai đoạn 1 triển khai với công suất 10.000 mét khối nước thải mỗi ngày. Quy trình sản xuất bột giấy sử dụng nguyên liệu gỗ và hóa chất. Nước thải phát sinh chứa nhiều chất hữu cơ khó phân hủy sinh học. Hàm lượng chất rắn lơ lửng và độ màu cao đặc trưng cho ngành giấy. Việc xử lý nước thải đúng quy chuẩn là yêu cầu bắt buộc. Hệ thống xử lý phải phù hợp với điều kiện địa phương và kinh tế.

1.2. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu đồ án

Đồ án nhằm tính toán và thiết kế hệ thống xử lý nước thải hoàn chỉnh. Phạm vi bao gồm đề xuất hai quy trình công nghệ xử lý khác nhau. Mỗi phương án được thuyết minh chi tiết về nguyên lý hoạt động. Tính toán thiết kế áp dụng cho cả hai phương án xử lý. Khai toán chi phí đầu tư và vận hành cho từng phương án. So sánh ưu nhược điểm kỹ thuật giữa hai phương án. Cuối cùng là bản vẽ thiết kế kỹ thuật thi công. Thời gian thực hiện đồ án từ tháng 3 đến tháng 7 năm 2019.

II. Phân tích đặc tính nước thải nhà máy bột giấy

Nước thải nhà máy bột giấy có đặc tính phức tạp và đa dạng. Hàm lượng chất hữu cơ cao biểu hiện qua chỉ tiêu COD và BOD. COD đầu vào đạt 1.596 mg/l vượt nhiều lần quy chuẩn cho phép. BOD dao động mạnh từ 1.344 đến 3.648 mg/l tùy thời điểm. Tổng chất lơ lửng TSS ở mức 768-1.152 mg/l. Độ màu Pt-CO biến động lớn từ 432 đến 2.880 đơn vị. Lưu lượng nước thải thay đổi theo ca sản xuất trong ngày. Bể điều hòa cần thiết để ổn định lưu lượng và nồng độ. Sự dao động này ảnh hưởng xấu đến hiệu quả xử lý sinh học. Các chất ức chế vi sinh vật cần được pha loãng ở mức phù hợp. Thiết kế phải tính đến hệ số an toàn cho biến động tải. Mục tiêu xử lý đạt QCVN 12-MT:2015 cột B trước khi xả thải.

2.1. Các chỉ tiêu ô nhiễm chính trong nước thải

Nước thải bột giấy chứa nhiều chỉ tiêu ô nhiễm vượt quy chuẩn. COD là chỉ tiêu quan trọng nhất phản ánh tổng chất hữu cơ. BOD đo lường khả năng phân hủy sinh học của chất hữu cơ. TSS biểu thị hàm lượng chất rắn lơ lửng cần loại bỏ. Độ màu gây ảnh hưởng thẩm mỹ và sinh thái nguồn tiếp nhận. Độ pH thường dao động do sử dụng hóa chất trong sản xuất. Các kim loại nặng có thể xuất hiện ở nồng độ thấp. Nhiệt độ nước thải cũng cần được kiểm soát phù hợp. Mỗi chỉ tiêu yêu cầu phương pháp xử lý chuyên biệt.

2.2. Đánh giá tác động môi trường của nước thải

Nước thải bột giấy gây ô nhiễm nghiêm trọng nguồn nước tiếp nhận. Hàm lượng hữu cơ cao làm giảm nồng độ oxy hòa tan. Hiện tượng phú dưỡng xảy ra khi nitơ và phospho vượt ngưỡng. Độ màu ảnh hưởng đến quá trình quang hợp của thủy sinh vật. Chất rắn lơ lửng gây bồi lắng lòng kênh sông. Các chất độc hại tích tụ trong chuỗi thức ăn. Nhiệt độ cao làm thay đổi hệ sinh thái thủy vực. Xả thải không đúng quy chuẩn vi phạm pháp luật môi trường. Hệ thống xử lý phải đáp ứng yêu cầu bảo vệ môi trường bền vững.

III. Giải pháp công nghệ xử lý nước thải bột giấy

Hệ thống xử lý nước thải bao gồm nhiều công trình liên hoàn. Song chắn rác là bước xử lý đầu tiên loại bỏ chất rắn thô. Kích thước khe hở 25mm với góc nghiêng 30 độ. Bể tiếp nhận có thể tích 222 mét khối với thời gian lưu 20 phút. Chiều sâu hữu ích bể tiếp nhận đạt 2,5 mét. Bể điều hòa ổn định lưu lượng và nồng độ chất ô nhiễm. Bể lắng đợt I tách chất lơ lửng trước xử lý sinh học. Công trình xử lý sinh học phân hủy chất hữu cơ hòa tan. Bể lắng đợt II thu gom bùn sinh học sau xử lý. Bể lọc loại bỏ phần tử lơ lửng kích thước nhỏ. Công trình khử trùng tiêu diệt vi sinh vật gây bệnh trước khi xả. Mỗi công trình được tính toán kỹ thuật chi tiết cho lưu lượng 10.000 m3/ngày.

3.1. Thiết kế công trình xử lý cơ học và hóa lý

Song chắn rác có 19 khe hở, chiều rộng 775mm. Bề dày thanh song chắn 15mm, khoảng cách khe 25mm. Chiều dài xây dựng phần mương đạt 2.100mm. Chiều cao xây dựng bao gồm tổn thất áp lực 3,6 mét. Bể tiếp nhận dung tích 222 mét khối đảm bảo lưu nước 20 phút. Kích thước xây dựng thực tế 10x9x3 mét. Bể điều hòa giảm dao động nồng độ chất bẩn hiệu quả. Bể lắng loại bỏ chất lơ lửng bằng trọng lực. Hiệu quả loại bỏ SS, COD đạt tỷ lệ cao. Các công trình hóa lý bổ trợ tăng hiệu suất tổng thể.

3.2. Thiết kế công trình xử lý sinh học và khử trùng

Công trình xử lý sinh học sử dụng vi sinh vật phân hủy hữu cơ. Phương pháp bùn hoạt tính là lựa chọn phổ biến cho bột giấy. Bể sinh học cần thời gian lưu nước phù hợp với tải trọng ô nhiễm. Nồng độ vi sinh vật trong bể phải được duy trì ổn định. Quá trình hiếu khí chuyển hóa BOD thành CO2 và nước. Bể lắng đợt II tách bùn hoạt tính ra khỏi nước sạch. Bùn dư được xử lý và thải bỏ đúng quy trình. Công trình khử trùng bằng chlorine hoặc tia UV tiêu diệt khuẩn. Nước thải đạt quy chuẩn mới được phép xả ra nguồn tiếp nhận.

IV. Kết luận và ứng dụng thiết kế xử lý nước thải

Đồ án đã hoàn thành thiết kế hệ thống xử lý nước thải nhà máy bột giấy. Hai phương án công nghệ được đề xuất và so sánh chi tiết. Phương án ưu tiên dựa trên hiệu quả kỹ thuật và chi phí đầu tư. Hệ thống đạt hiệu suất xử lý cao cho lưu lượng 10.000 mét khối mỗi ngày. COD, BOD, TSS và độ màu được giảm xuống quy chuẩn QCVN 12-MT:2015. Chi phí vận hành và bảo trì nằm trong khả năng tài chính của nhà máy. Bản vẽ thiết kế đầy đủ phục vụ thi công và lắp đặt. Kết quả áp dụng cho giai đoạn 1 với công suất 300.000 tấn sản phẩm mỗi năm. Hệ thống có khả năng mở rộng cho giai đoạn tiếp theo. Đồ án đóng góp vào giải pháp bảo vệ môi trường ngành công nghiệp giấy. Kinh nghiệm rút ra áp dụng được cho các nhà máy tương tự.

4.1. Đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật

So sánh hai phương án cho thấy ưu nhược điểm riêng biệt. Phương án 1 có chi phí đầu tư ban đầu thấp hơn. Phương án 2 đạt hiệu suất xử lý cao hơn cho chỉ tiêu màu. Chi phí vận hành hàng năm bao gồm điện năng và hóa chất. Chi phí nhân sự vận hành hệ thống cần tính toán chính xác. Thời gian hoàn vốn đầu tư là yếu tố quyết định lựa chọn. Hiệu quả xử lý phải đạt quy chuẩn liên tục và ổn định. Bảo trì thiết bị định kỳ giúp kéo dài tuổi thọ hệ thống. Tổng chi phí vòng đời sử dụng là cơ sở so sánh cuối cùng.

4.2. Khuyến nghị và hướng phát triển hệ thống

Hệ thống cần được vận hành theo đúng quy trình kỹ thuật đã thiết kế. Giám sát tự động các chỉ tiêu nước thải giúp phát hiện sự cố kịp thời. Đào tạo nhân viên vận hành là yếu tố then chốt cho hiệu quả lâu dài. Giai đoạn 2 cần mở rộng công suất theo quy hoạch sản xuất. Áp dụng công nghệ mới giảm chi phí và tăng hiệu suất xử lý. Tái sử dụng nước thải sau xử lý giảm tiêu hao tài nguyên nước. Xử lý bùn thải đúng quy trình tránh ô nhiễm thứ cấp. Tuân thủ nghiêm ngặt quy định pháp luật về bảo vệ môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY BỘT GIẤY THÁI BÌNH XANH – NGÀNH GIẤY 1. TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY BỘT GIẤY THÁI BÌNH XANH Công ty Thái Bình Xanh đã lên dự án cho việc xây dựng nhà máy bột giấy Thái Bình Xanh, đây là dự án mà công ty đã ấp ủ và muốn đầu tư để tạo đột phá cho ngành giấy Việt Nam. Dự án xây dựng Nhà máy sản xuất bột giấy Thái Bình Xanh do công ty cổ phần Thái Bình Xanh làm chủ đầu tư sẽ có công suất thiết kế từ 300.000 tấn sản phẩm/năm. Đây là dự án mang tầm vóc cho ngành giấy của chúng ta.

Với việc nhà máy có công suất lên tới 300.000 tấn sản phẩm/năm thì sẽ không tránh khỏi vấn đề môi trường, nhưng ở đây trước khi xây dựng công ty đã cam kết vấn cam kết ưu tiên hàng đầu, nghiên cứu đầu tư xây dựng nhà máy với công nghệ và thiết bị đồng bộ, tiên tiến, hiện đại và thân thiện với môi trường. Bên cạnh đó công ty cũng cho biết nhà máy sản xuất bột giấy đồng thời sản xuất ra điện và mong muốn tỉnh tạo điều kiện để đơn vị thực hiện việc hòa vào lưới điện và bán điện. TỔNG QUAN VỀ NGÀNH GIẤY 1. Vài nét về ngành giấy Công nghiệp giấy Việt Nam (CNGVN) có một vị trí quan trọng trong nền kinh tế quốc dân mặc dù quy mô của nó còn nhỏ bé so với khu vực và thế giới.

Theo thống kê năm 1995, sản xuất CNGVN đạt 572 tỷ VNĐ, chiếm 2.34% tổng giá trị công nghiệp cả nước và đứng hàng thứ 10 trong nghành công nghiệp. CNGVN bao gồm 1048 cơ sở sản xuất trong đó có 42 cơ sở quốc doanh (của trung ương và địa phương), 39 cơ sở thuộc kinh tế tập thể, 38 xí nghiệp tư nhân và phần còn lại (hơn 1269 cơ sở) là các hộ lao động thủ công cá thể. Tổng công suất sản xuất bột giấy và giấy của CNGVN tương ứng là 200000 tấn/năm và 400000 tấn/năm. Toàn nghành chỉ có 3 cơ sở quy mô lớn với công suất 20000 tấn giấy/năm: Công ty giấy Bãi Bằng (55000 tấn/năm), Công ty giấy Tân Mai ( 48000 tấn/năm) và Công ty giấy Đồng Nai (20000 tấn/năm), 33 đơn vị quy mô trung bình (> 1000 tấn/năm) và còn lại là các cơ sổ sản xuất quy mô nhỏ (< 1000 tấn/năm).

4 Để có thể đáp ứng 85 - 90% nhu cầu sử dụng giấy của xã hội. Chính vì thế phải có định hướng phát triển, đưa ra các giải pháp trong vấn đề đầu tư, nguyên liệu, vấn để môi trường…  Giải pháp đầu tư: Việc thực hiện đầu tư theo 3 giai đoạn của dự án nhằm khai thác và phát triển các nguồn lực sản xuấtm, đảm bảo 85 - 90% nhu cầu tiêu dùng trong nước, từng bước tham gia hội nhập khu vực. Đổi mới thiết bị, hiện đại hóa công nghiệp, đầu tư chiều sâu và mở rộng hài hòa với đầu tư xây dựng mới. Hiệu quả đầu tư phụ thuộc nhiều yếu tố, việc đầu tư chiểu sâu, mở rộng tại chỗ hoặc đầu tư mới đều có tính ưu việt của từng dự án.

Cả 2 hướng đầu tư này đều được áp dụng trong quá trình đầu tư của ngành giấy.  Giải pháp nguyên liệu: Nguyên liệu là sự sống của ngành giấy. Đối với các nhà máy đã có sẵn cùng với vùng nguyên liệu hình thành từ trước đến nay thì nên quy hoạch lại đất nâng cấp nhằm đảm bảo đủ nguyên liệu cho nhà máy hoạt động (khu trung tâm Bắc Bộ, khu trung tầm Đông Nam Bộ). Để đảm bảo cân đối sinh thái, giảm bớt rừng bị khai thác, cũng như giảm giá thành sản phẩm, phương án nhập giấy phế liệu về tái chế lại bột giấy đưa vào sản xuất đang được nhiều công ty, nhà máy thực hiện.

Giải pháp về vấn đề ô nhiễm môi trường: Một nguyên tắc đặt ra khi phát triển công nghiệp giấy là phải chống ô nhiễm môi trường. Các dự án mới đầu tư đều phải có hệ thống xử lý chất thải. Đối với các nhà máy cũ đã có sẵn hệ thống xử lý thì cần phải tu sửa, nâng cấp để đạt hiệu quả hơn. Trường hợp đầu tư không hiệu quả thì ngừng sản xuất bộ phận gây ô nhiễm nặng, không cho đầu tư các xí nghiệp nhỏ không đạt tiêu chuẩn môi trường.

Các quá trình cơ bản trong ngành giấy Sản xuất bột giấy là một quá trình sinh ra nhiều chất thải nhất, quá trình tạo ra thành phẩm giấy và bột giấy thường sản sinh ra một lượng lớn nước thải 1 tấn sản 3 phẩm sẽ cho ra khoảng 80 – 450 m nước thải, ngành này sử dụng nhiều nước nhất trong các ngành công nghiệp.1: Quy trình sản xuất giấy và bột giấy Tùy theo mục đích sử dụng mà sản phẩm giấy cũng rất đa dạng và phong phú, về công nghệ sản xuất giấy và bột giấy cũng rất khác nhau nhưng tựu chung lại thì cũng bao gồm các bước: nguyên liệu thô, gia công nghuyên liệu thô, nấu, rửa, tẩy trắng, nghiền bột, xeo giấy và định hình sản phẩm. Ngành công nghiệp này được cho là sử dụng nhiều nước và cho ra cũng nhiều nước thải nhất. Hầu như tất cả lượng nước đưa vào sử dụng cuối cùng đều trở thành nước thải mang theo các tạp chất, hóa chất, bột giấy, các chất ô nhiễm dạng hữu cơ và vô cơ. Trong quy trình sản xuất giấy và bột giấy thì công đoạn mang tính chính trong đó là quá trình gia công nguyên liệu thô và tẩy trắng.

Hai quy trình này quyết định 6 thành phẩm chất lượng của bột giấy đầu ra có đạt chuẩn để tiếp tục cho làm giấy hay không?  Gia công nguyên liệu thô, nấu Quá trình gia công nguyên liệu thô có thể nói là xử lý những nguyên liệu thô thành những bột giấy, cung cấp cho quá trình phía sau. Nghiền cơ học trong quá trình nghiền cơ học, các sợi chủ yếu bị tách rời nhau do lực cơ học trong máy nghiền hoặc trong thiết bị tinh chế. Sau khi đã nghiền cơ học sẽ được được qua nấu hay còn được gọi là quá trình nghiền bột bằng phương pháp hóa học, Phương pháp ở đây được xử dụng là xử lý với hóa chất ở nhiệt độ và áp lực cao. Mục đích của quá trình này nhằm hòa tan hoặc làm mềm thành phần chính của chất lignin liên kết các sợi trong nguyên liệu với nhau, đồng thời lại gây sự phá hủy càng ít càng tốt đối với thành phần Cellulose.

Cách xử lý này được tiến hành trong nồi áp suất, có thể vận hành theo chế độ liên tục hoặc theo từng mẻ.  Tẩy trắng Mục đíc của quá trình này là làm sáng màu lignin tồn dư trong bột giấy sau khi đã được nấu. Để khử được lignin người ta sẽ dùng Chlorine, Hypochlorite, Chlorine dioxide, oxygen hoặc ozone và đặc biệt là Peroxode. Một cách truyền thống, quy trình tẩy trắng này gồm 3 giai đoạn chính:  Giai đoạn 1: Clo hóa, oxy hóa trong môi trường axit để phân hủy phần lớn lignin còn sót lại trong bột.

 Giai đoạn 2: Thủy phân kiềm sản phẩm lignin hòa tan trong kiềm nóng được tách khỏi bột.  Giai đoạn 3: tẩy oxy hóa để thay đổi cấu trúc các nhóm mang màu còn sót lại. Đặc trưng của nước thải giấy Trong từng công đoạn sản xuất ra bột giấy ta thấy được mỗi công đoạn đều sinh ra nguồn thải. Dòng thải từ quá trình nấu và rửa sau nấu chứa phần lớn các chất hữu cơ hòa tan, các hóa chất nấu và một phần xơ sợi.

Dòng thải có màu tối nên thường gọi là dịch đen. Dịch đen này có nồng độ chất khô khoảng 25 – 35%, tỷ lệ giữa chất hữu cơ và vô cơ vào khoảng 70 : 30. Thành phần hữu cơ là lignin hòa 7 tan vào dịch kiềm, sản phẩm phân hủy hydratcacbon, axit hữu cơ. Thành phần vô cơ gồm những hóa chất nấu, một phần nhiều là NaOH, Na 2S tự do, Na2SO4, Na2CO3 còn phần nhiều là kiềm natrisunphat liên kết với các chất hữu cơ trong kiềm.

Dòng thải từ công đoạn tẩy trắng của các nhà máy sản xuất bột giấy bằng phương pháp hóa học và bán hóa học thường chứa các hợp chất hữu cơ, lignin hòa tan và hợp chất tạo thành của những chất đó với chất tẩy ở dạng độc hại, có khả năng tích tụ sinh học trong cơ thể sống giống như các hợp chất Clo hữu cơ. Khi tẩy bằng các hợp chất Clo hữu cơ, các thông số ô nhiễm đặc trưng: BOD vào khoảng 15 – 17 kg/tấn bột giấy, COD khoảng 60 – 90 kg/tấn bột giấy, đặc biệt giá trị AOX (Các hợp chất Clo hữu cơ) khoảng 4 – 10 kg/tấn bột giấy. Việc từng công đoạn sản sinh ra nguồn thải có nồng độ khác nhau, nhưng khi xả thải vào khu xử lý thì trong nước thải chỉ mang đặc trưng của các thành phần BOD, COD, TSS và độ màu. Nên việc xử lý và loại bỏ các thành phần đó trước khi xả thải ra môi trường là điều bắt buộc.

Tác động môi trường của ngành giấy Công nghiệp giấy thực chất là ngành sản xuất đa ngành và tổng hợp, sử dụng một khối lượng khá lớn nguyên liệu đầu vào (nguyên liệu từ rừng, các hóa chất cơ bản, nhiên liệu, năng lượng, nước .) so với khối lượng sản phẩm tạo ra ( tỷ lệ bình quân khoảng 10/1). So với nhiều ngành công nghiệp sẩn xuất khác, ngành giấy có mức độ ô nhiễm cao và dễ gây tác động đến con người và môi trường xung quanh do ô nhiễm từ nguồn nước thải xử lý không đạt yêu cầu.  Nước thải Công nghệ sản xuất giấy ở Việt Nam vẫn còn lạc hậu. Để sản xuất ra một tấn 3 giấy thành phẩm, các nhà máy phải sử dụng từ 30 - 100 m nước, trong khi các nhà 3 máy giấy hiện đại của thế giới chỉ sử dụng 7 - 15 m /tấn giấy.

Sự lạc hậu này không chỉ gây lãng phí nguồn nước ngọt, tăng chỉ phí xử lý nước thải mà còn đưa ra sông, rạch lượng nước thải khổng lồ. Tùy theo nguồn phát sinh, thành phần và lưu lượng nước thải, Nhà máy dự kiến phân đường nước thải thành 2 đường: 8  Nguồn nước thải chứa nhiều bột giấy và các chất phụ gia. Nguồn này phát sinh từ 3 các công đoạn của dây chuyền sản xuất ước tính mỗi ngày thải ra 300 m.  Nguồn nước thải chứa 1 lượng ít bột giấy nhưng lẫn nhiều tạp chất, nguồn này hình thành do quá trình vệ sinh các trang thiết bị, các máy móc của dây chuyền, do nước thải 3 sinh hoạt hoạt của công nhân.

Lượng nước thải này khoảng 400 – 500 m .